MAKALAH MIKROBIOLOGI INDUSTRI
JALUR METABOLISME GLUTAMAT DALAM INDUSTRI MONOSODIUM GLUTAMAT (MSG)
Disusun oleh:
Ayu Andriyani
M0412012
JURUSAN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2014
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar
Belakang
Penyedap rasa merupakan bahan
tambahan pangan yang dapat memberikan, menambah atau mempertegas rasa dan
aroma. Penyedap rasa dan aroma dapat digolongkan sebgai bahan alami dan
sintestik. Beberapa yang termasuk penyedap atau penguat rasa adalah
5’-nukleotida, maltol, Dioctyl sodium sulfasuccinate,
N,N’-di-o-tolyethylenediamine dan cyclamic acid serta MSG. Penyedap ini
biasanya ditambahkan pada permen, minuman, makanan ringan serta biskuit dan
kue. Penyedap biasanya diperdagangkan dalam bentuk campuran.
Salah satu penyedap makanan yang
banyak dikenal masyarakat adalah MSG atau Monosodium Glutamat. MSG berbentuk
kristal putih dan kaya akan glutamat. Banyak digunakan sebagai bumbu masakan.
Namun sebenarnya MSG tidak mempunyai rasa, tapi mempunyai fungsi sebagai
penegas rasa (flavor enhancer).
Pada dasarnya terdapat 3 metode pembuatan MSG, yaitu
(1) hidrolisis, metode yang telah lama tidak digunakan, (2) fermentasi ,
metode yang saat ini banyak dilakukan dan (3) sintesis, berbasis pada
akrilonitril. Pembuatan asam glutamate dengan secara fermentasi dengan
bantuan Corynobacterium, Brevibacterium, Microbacterium atau
Arthrobacterium.
Perkembangan
di bidang Mikrobiologi Industri menyebabkan produksi MSG secara cepat dalam
jumlah yang besar dengan bantuan mikroorganisme. Makalah ini akan membahas
tentang metabolisme MSG dan proses produksinya.
B. Rumusan
Masalah
1.
Bagaimanakah jalur
metabolisme produksi glutamat?
2.
Bagaimanakah proses produksi
monosodium glutamat?
C. Tujuan
1.
Mengetahui jalur metabolisme
produksi glutamat
2.
Mengetahui proses produksi
monosodium glutamat.
BAB II
ISI
Monosodium
Glutamat (MSG) merupakan turunan kimia L-Glutamic acid monosodium salt atau
natrium glutamat (sodium glutamat). Sedangkan ikatan aslinya adalah asam
glutamat atau glutamic acid yang mampu
mengikat dua ion positif. Karena unsur Na hanya memiliki satu valensi, maka
masih ada satu unsur asam. Karena yang diikat baru satu, maka disebut mono. MSG
memiliki rumus kimia C5H8 NNaO4
(Winarno, 1989).
Dalam
Winarno dan Titi (1994) rumus molekul MSg adalah:
NH2
CsH8NNaO4-H2O
(M.w 187 13)
Asam
Glutamat merupakan bagian dari kerangka utama berbagai jenis molekul protein
yang terdapat dalam makanan, dan secara alami terdapat dalam jaringan tubuh manusia.
Selain terdapat dalam bentuk protein, glutmat juga ditemukan dalam bentuk
bebas. Glutamat bebas inilah yang berfungsi secara efektif sebagai pembangkit
citarasa dan memegang peranan dalam kelezatan dan penerimaan konsumen terhadap
makanan. Oleh karena itu tomat atau keju sering digunakan dalam makanan karena
mengandung glutamat bebas dalam jumlah tinggi. Glutamat bebas tersebut dapat
bereaksi dengan ion sodium (natrium) membentuk garam MSG (Winarno dan Titi,
1994).
Regulasi Pembentukan Asam Glutamat
Salah satu tambahan lain selain
pengkontrolan metabolik, sel mikroorganisme ternyata memiliki mekanisme
efektif yang selain dan penting untuk ekonomi kehidupannya, yaitu kontrol
permeabilitas. Penahan permeabilitas utama adalah membran sel. Lapisan tebal sekeliling
membran sel memberikan kekuatan, kecuali untuk molekul-molekul besar yang
membiarkan sebagian besar aktivitas selektifnya kepada membran. Pengaturan
metabolik mencegah sintesis yang berlebihan dari metabolik-metabolik dan makro
molekul-makro molekul penting untuk kehidupan sel. Penahan permeabilitas
membiarkan sel untuk menahan cairan pekat dari molekul-molekul yang sama dan
secara sel efektif membawa nutrisi-nutrisi penting yang dibutuhkan ke dalam
sel. Kondisi perubahan lingkungan melakukan kontrol yang ketat terhadap
permeabilitas yang berlebihan.
Salah satu masalah dalam
mikrobiologi industri adalah permeabilitas membran sel yang terbatas sehingga
produk lebih cenderung tertahan di dalam sel. Kondisi ini akan menyebabkan
segera tercapainya konsentrasi jenuh yang akan mengakibatkan hambatan umpan
balik yang dapat menghentikan atau memperlambat proses pembuatan produk. Selama
pertumbuhan pada glukosa, Corynebacterium glutamicum akan
mengakumulasikan asam glutamate secara intraseluler sampai sel menjadi jenuh
pada konsentrasi 50 mg/g bobot kering. Kemudian, diduga karena pengaturan umpan
balik, akumulasi glutamate berhenti, kecuali jika penahan permebilitas diubah
untuk mempermudah pengeluaran asam glutamat. Perubahan permeabilitas ke arah
yang lebih permeable tersebut dapat dilakukan dengan pembatasan biotin di
medium dan penambahan penisilin atau turunan-turunan asam lemak pada fase
logaritmik.
a-ketoglutarat yang secara normal diubah menjadi
suksinilkoenzim A, secara reduksi dideaminasi menjadi glutamat oleh glutamat
dehydrogenase. Selama pertumbuhan pada glukosa mikroorganisme produsen asam
glutamate mengakumulasikan glutamate secara intraseluler sampai sel menjadi
jenuh pada konsentrasi 50 mg/g bobot kering, kemudian diduga karena pengaturan
umpan balik, maka akumulasi glutamat akan terhenti, kecuali jika penahan
permeabilitas diubah untuk mempermudah pengeluaran asam amino. Modifikasi permeabilitas
ini dipengaruhi oleh keterbatasan biotin atau melalui penambahan bahan-bahan
seperti penisilin atau turunan-turunan asam lemak. Penambahan penisilin selama
fase logaritmik mengurangi ekspresi glutamat, dan konsentrasi intraseluler asam
amino dengan cepat menurun menjadi 5 mg/g sel. Sel kemudian melanjutkan
produksi selama 40-50 jam, selama ini tidak terjadi lisis pada sel. Peningkatan
permeabilitas glutamat nampaknya hanya terjadi di bagian luar saja. Sel
penghasil glutamat (defisiensi biotin) mengambil glutamat eksternal pada
kecepatan 10% dari kecepatan sel normal.
Biotin mengontrol permeabilitas
melalui peranannya pada sintesis asam lemak. Defisiensi biotin (seperti halnya
dengan penambahan turunan asam lemak atau penisilin) menyebabkan perubahan yang
nyata pada komposisi lemak pembungkus sel produse rglutamat. Hasil kunci
defisiensi seperti ini menimbulkan juga defisiensi fosfolipida pada membran.
Konsentrasi biotin yang umum digunakan adalah 1 dan 5 mg biotin per liter
medium fermetasi. Suatu peningkatan dosis menjadi 15mg/1 akan meningkatkan
kecepatan pertumbuhan dan secara praktis mengeliminasi sekresi glutamat.
Jika penisilin atau turunan asam
lemak akan digunakan sebagai mekanisme pemacu, maka pemberiannya harus
dilakukan pada fase logaritmik. Meskipun penisilin tidak menghambat sintesis
fosfolipida, penambahannya pada medium fermentasi akan menghasilkan suatu
ekskresi fosfolipida yang cepat. Auksotropik gliserol juga dapat digunakan
untuk memproduksi glutamat. Seperti halnya biotin, suatu dosis batas tumbuh
gliserol juga harus diberikan agar membrane sel memberikan permeabilitas yang
tepat. Glutamat oleh strain-strain special juga dapat diproduksi dari
sumber-sumber karbon lain selain glukosa. Hasil produksi glutamate dari etanol
dapat mencapai jumlah 60g/liter (sekitar 66% hasil teoritis yang didasarkan
pada etanol yang dikonsumsi), sedangkan strain-strain pencerna hidrokarbon
menghasilkan glutamat 80% g/liter.Asam-asam organic seperti asetat juga sering
digunakan dalam skala komersial dan menghasilkan sekitar 90 gram glutamat per
liter. Bahkan suatu senyawa setoksik asam benzoate ternyata secara efisien
dapat diubah menjadi glutamate dengan hasil 80 gram perliter.
Mikroorganisme yang
mengkonservasikan hidrokarbon menjadi glutamat bersifat unik, karena mereka
tidak membutuhkan biotin. Defisiensi biotin tidak menyebabkan kesulitan dalam
mengkonversi karena n-parafin (hidrokarbon) dapat dipecah menjadi asam-asam
lemak. Proses ini memotong kedudukan aksi biotin yang merupakan langkah pertama
pada biosintesis asam lemak. Pada proses konvensi hidrokarbon, produksi
glutamate dirangsang oleh penambahan penisilin.
Produksi glutamate dengan
menggunakan strain Corynebacterium glutamicum dan Brevibacterium
flavum, harus dilaksanakan dengan konsentrasi biotin yang tinggi. Jika
keterediaan biotin dibatasi, maka glutamat yang dihasilkan kurang mencapai
sasaran yang diinginkan. Hal yang sama akan terjadi jika penisilin ditambahkan
pada auksotrop yang tumbuh pada konsentrasi biotin yang tinggi, maka glutamat
yang dihasilkan juga dan tinggi pula, sebab dari produksi ini terjadi asimilasi
nitrogen melalui aminasi a-ketoglutarat ke glutamat yang dikatalisasi oleh
glutamat dehidrogenase. Jadi nitrogen aspartat, lisin, asam-asam amino lainnya
diperoleh dari glutamate melalui proses transaminasi. Jika mekanisme
permeabilitas diubah dengan membatasi biotin atau dengan menambahkan penisilin,
maka glutamate menghilang dari sel dan selanjutnya tidak dapat lagi bertindak
sebagai prekursor asam-asam amino lainnya.
Produksi Asam Glutamat
Pembentukan asam glutamate dapat
dilakukan dengan menggunakan Micrococcus glutamicum yang kemudian lebih
dikenal dengan nama Corynebacterium glutamicum. Reaksi yang terjadi
dalam produksi asam glutamate adalah sebagai berikut: 1) metabolisme glukosa
melalui jalur EMP (Embden Meyerhof Partnas) dan HMS (Hexosa
Monophosphat Shunt), 2) pada laju aerasi yang rendah, jalur EMP lebih
dominan sehingga asam laktat lebih terakumulasi jika dibandingkan daripada asam
glutamate, 3) dengan udara cepat, system HMS akan dominan sehingga asam
glutamate akan terakumulasi. Setelah asam glutamate terbentuk, maka
mikroorganisme hanya mempunyai sedikit kemampuan untuk menguraikan produk yang
terjadi.
Pada system HMS, glukosa dioksidasi menjadi glukonat.
Dari 6-phosphoglukonat dan ribose 5-phosphat terbentuklah piruvat dan asetat.
Mikroorganisme ini tidak dapat mensintesis asam glutamatdari piruvat dan
laktat., tetapi dapat memproduksi asam glutamate dari malat dan sitrat. Malat
dihasilkan dari reaksi enzim, karena asam dengan 4 karbon dibutuhkan untuk
pembentukannya. Asam sitrat dibentuk dari asetat dan oksalat, kemudian
dioksidasi menjadi asam glutamate melalui NADP-dehidrogenase khusus, misalnya
isositrat dehidrogenase dan L-glutamat dehidrogenase yang terhadap dalam ion
ammonium. Selain mikroorganisme tersebut di atas, asam glutamate dapat
diproduksi oleh Brevibacterium circulars, B. megaterium, B. cercus, B.
divanicatum, B. flavum, B. laktofermantum, dan lain sebagainya.
Proses
Pembuatan
Proses pembuatan MSG dalam skala
industri berkembang dengan pesat setelah penemuan Corynebacterium
glutamicum. Setelah tahun 1962 Jepang menemukan Brevibacterium
flavum, dan Brevibacterium laktofermantum yang kini banyak
digunakan. Pertama-tama biakan liofil yang telah diinokulasikan ke dalam tabung
kolben berisi medium prastarter diinkubasi selama 16 jam pada 310C.
Biakan prastarter setelah itu dapat diinokulasikan ke dalam medium tangki
starter. Penurunan pH akibat terbentuknya asam pada proses pembuatan prastarter
tidak diinginkan, karena akan merubah pola pertumbuhan. Oleh karena itu untuk
mencegah agar pH tidak turun lebih rendah dari 7. Untuk itu ke dalam labu
prastarter perlu dimasukkan CaCO3 sebanyak 3%. Di dalam tangki
pembibitan, penggunaan CaCO3 tidaklah mungkin karena akan
menimbulkan efek samping berupa kerak dan endapan, dan juga akan mempengaruhi
pertumbuhan dari mikroorganisme. Untuk mencegah turunnya pH dan menggantikan
fungsi CaCO3, maka ke dalam tangki pembibitan dimasukkan urea. Nilai
pH yang tertinggi yang terjadi akibat peruraian urea diharapkan tidak lebih
dari 7,4, karena pH optimum untuk B. flavum adalah 7,0, sedangkan pH
terendah diharapkan tidak kurang dari 6,8.
Kristalisasi
Monosodium Glutamat
Kristal murni asam glutamate yang berasal
dari proses pemurnian asam glutamate digunakan sebagai dasar penggunaan MSG.
Asam glutamat yang dipakai dalam proses ini harus mempunyai kemurnian lebih
besar dari 95% sehingga bisa didapatkan MSG yang berkualitas baik. Untuk
mengubah asam glutamate menjadi MSG, Kristal tersebut dilarutkan dalam air
sambil dinetralkan dengan NaOH atau NaHCO3 sampai pH menjadi
6,6-7. Pada keadaan ini asam glutamate sudah bereaksi dengan Na+ dan
membentuk larutan MSG. larutan ini mempunyai derajad kekentalan sekitar 26-28OBE
pada suhu 30OC dengan konsentrasi MSG antara 52-55 g/l larutan.
Untuk lebih menjernihkan cairan MSG yang berwarna kuning jernih dan juga untuk
menyerap kotoran lainnya ke dalam cairan ini ditambahkan arang aktif sebanyak
5% b/v. kemudian diaduk dan didiamkan selama 1 jam untuk lebih menyempurnakan
proses penyerapan warna dan impurity lainnya. Arang aktif ini akan bekerja
lebih baik pada pH di bawah netral. Hal ini dikarenakan pH larutan asam
glutamate yang dinetralkan ini diatur di bawah pH netral. Cairan berisi arang
aktif dan MSG ini kemudian disaring dengan menggunakan vakum filter dan
menghasilkan filtrat serta cake yang berisi arang aktif dan impurity
lainnya. Jika kekeruhan dan warna dari filtrat tersebut sudah sesuai dengan
yang diinginkan, maka cairan ini bisa dikristalkan. Kristalisator hampa udara
banyak digunakan untuk pengkristalan ini. Setelah cairan MSG tersebut memiliki
kekentalan 26OBE, larutan ini kemudian diuapkan pada kondisi vakum
64 cmHg atau setara dengan temperatur didih 60OC. Pemekatan
dilakukan sampai konsentrasi 68-69 g MSG / liter larutan. Karena cairan sudah
mencapai fase jenuh, maka pemberian umpan akan menyebabkan terbentuknya MSG.
Umpan yang diberikan sekitar 2%. Inti kristal yang terbentuk ini secara
perlahan-lahan akan diikuti dengan pemekatan larutan sehingga diperoleh kristal
yang lebih besar. Proses kristalisasi ini berlangsung sekitar 14 jam.
Kristal MSG yang dihasilkan dari
proses ini dipisahkan dengan metode sentrifugasi dari cairannya. Filtrat hasil
penyaringan dikembalikan pada proses pemucatan. Kristal MSG yang dihasilkan
setelah disaring kemudian dikeringkan dengan uap panas dalam lorong pengering,
kemudian diayak dengan ayakan bertingkat sehingga didapat tiga ukuran kristal,
yaitu LLC (Long Large Crystal), LC (Long Crystal), dan RC (Regular
Crystal). Sedangkan Fine Crystal yang merupakan kristal sangat kecil
dikembalikan pada proses sebagai umpan balik. Hasil MSG yang sudah diayak dalam
bentuk kering tersebut selanjutnya dimasukkan ke dalam karung plastik berukuran
50 Kg atau sesuai dengan yang diiinginkan untuk kemudian disimpan sementara
dalam gudang penyimpanan sebelum digunakan untuk keperluan dan tujuan
yang lainnya (Budiyanto, 2003).
Menurut Setiawati
(2008) pada dasarnya terdapat 3 metode pembuatan MSG, yaitu (1)
hidrolisis, metode yang telah lama tidak digunakan, (2) fermentasi ,
metode yang saat ini banyak dilakukan dan (3) sintesis, berbasis pada
akrilonitril. Bahan baku untuk pembuatan MSG yang berfungsi sebagai media
bakteri berasal dari bahan alami seperti tetes gula tebu atau tapioka.
Spesifikasi pembuatan MSG haruslah mengikuti criteria berikut: (1) kandungan
Kristal minimal 99% MSG, (2) kelembapan (kecuali berbentuk air) tidak boleh
lebih tinggi dari 0,5%, (3) kandungan natrium klorida tidak lebih tinggi dari
0,5%, (4) kemurnian MSG harus terjaga dari komponen arsenic, besi dan kalsium.
Menurut Cahyadi, 2006,
pembuatan asam glutamate dengan secara fermentasi dengan bantuan Corynobacterium,
Brevibacterium, Microbacterium atau Arthrobacterium. Asam gluatamat
dapat dihasilkan dari glukosa atau asam asetat sebagai sumber karbon. Reaksi
pembentukannya adalah sebagai berikut.
C6H12O6 + 1,5
O2 à C5H9O4N + CO2 + 3H2O
Menurut said (1987), pembentukan asam glutamate dapat dilakukan dengan
menggunakan Micrococcus glutamicus yang kemudian di
sebut Corynobacterium glutamicus. Reaksi yang terjadi adalah:
(1) metabolism gula melalui jalur EMP(Embden Monophosphate Shunt) dan HMS
(Hexosa Monophosphate Shunt), (2) pada laju aerasi yang rendah, jalur EMP
dominan dan asam laktat berakumulasi daripada asam glutamat, (3) dengan udara
cepat, sistem HMS akan dominan dan asam glutamat berakumulasi.
BAB III
PENUTUP
Jalur utama
produksi asam glutamat dari glukosa adalah melalui jalur Embden-Meyerhof dan
langkah-langkah awal siklus Krebs. Siklus selanjutnya, a-ketoglutarat yang secara normal diubah
menjadi suksinilkoenzim A, secara reduksi dideaminasi menjadi glutamat oleh
glutamat dehydrogenase. Pembentukan asam glutamate dapat dilakukan dengan
menggunakan Micrococcus glutamicus yang kemudian di
sebut Corynobacterium glutamicus. Reaksi yang terjadi adalah:
(1) metabolism gula melalui jalur EMP(Embden Monophosphate Shunt) dan HMS
(Hexosa Monophosphate Shunt), (2) pada laju aerasi yang rendah, jalur EMP
dominan dan asam laktat berakumulasi daripada asam glutamat, (3) dengan udara
cepat, sistem HMS akan dominan dan asam glutamat berakumulasi.
Pada
dasarnya terdapat 3 metode pembuatan MSG, yaitu (1) hidrolisis, metode
yang telah lama tidak digunakan, (2) fermentasi , metode yang saat ini banyak
dilakukan dan (3) sintesis, berbasis pada akrilonitril.
DAFTAR PUSTAKA
Budiyanto, Agus Krisno. 2003. Mikrobiologi Terapan.
Malang: UMM Press
Winarno, FG dan Rahayu Suiistyowati Titi, 1994. Bahan Tambahan Untuk.
Makanan dan Kontaminan, cetakan ke-l, Penerbit Pustaka Sinar. Harapan, Jakarta.
Yamaguchi, S., and Ninomiya, K. 2000. The use and
utility of glutamate as flavoring agents in food. J. Nutr. 130:
921S-926S
0 komentar:
Posting Komentar